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Introdução aos Veículos Híbridos: conceito e funcionamento Parte 2 - A importância da eletrônica

Acompanhe na sequencia desta matéria a contribuição decisiva da eletrônica embarcada que viabilizou a integração entre motores elétricos e a combustão, e os recursos que otimizam o uso, armazenamento, regeneração e conversão da energia

Inicialmente, finalizaremos o conceito de transmissões com divisão de forças que combinam caminhos em série e em paralelo.

Velocidade dos componentes da transmissão GM/Híbrida de modo dois
Aplicação de veículo híbrido modo dois de transporte pesado
A ENERGIA ELÉTRICA FAZ A DIFERENÇA
É tudo uma questão de energia. Num primeiro momento, alguém pode pensar que o peso adicional dos componentes híbridos (baterias, motores, módulos, cabos, etc) poderia causar um decréscimo na média de consumo de combustível e um aumento nas emissões veículares. Em 1905, quando Piper solicitou a primeira patente americana de veículo elétrico híbrido, isto poderia ter sido verdade. Mas a eletrônica moderna permite hoje a utilização de dispositivos que ajudam a reduzir emissões e aumentam a economia de combustível. Estes dispositivos permitem que a carga energética do veículo híbrido elétrico seja compartilhada entre as fontes de energia de combustível e eletrica.

Consideremos que dirigir um veículo do ponto A ao ponto B necessita de certa quantidade de energia total. Num veículo não híbrido esta carga de energia é fornecida somente pelo motor de combustão interna. Contudo, em um veículo híbrido elétrico, os dispositivos incorporados permitem que a carga energética para movimentar o veículo seja partilhada com a eletricidade. Com suficiente energia elétrica armazenada, alguns veículos híbridos podem mesmo ser movimentados apenas por eletricidade. Isto é que é compartilhar a carga.

Para ajudar a compartilhar a carga de energia alguns dispositivos afetam a operação do motor de combustão interna tal como o desligamento do motor sempre que o veículo para. Outros dispositivos modificam o projeto do motor a combustão interna,  permitindo ao veículo híbrido ter um motor de combustão interna menor sem sacrifícar as expectativas de desempenho do proprietário.

Energia não híbrida proveniente unicamente do armazenamento de combustível fóssil
Veículo híbrido elétrico “compartilha” a carga energética entre combustível e elétrica
Perda térmica através dos freios e motor em marcha lenta
Em adição ao compartilhamento da carga do veículo com o motor a combustão interna, o sistema híbrido elétrico também minimiza a perda de energia que tradicionalmente ocorre através da geração de calor. Um veículo não híbrido gasta energia através do calor de duas maneiras. A primeira delas é através da marcha lenta do motor de combustão interna sempre que o veículo estiver em operação. A segunda maneira é quando a energia do movimento (cinética) é convertida em calor pelo atrito quando o veículo está em operação de frenagem.

Ambas estas perdas de energia através do calor são reduzidas pelo sistema híbrido elétrico com o motor se desligando nas paradas. E o dispositivo de recuperação de energia nas frenagens.

*Observa-se que alguns veículos híbridos elétricos de MODO UM possuem maior economia de combustível na cidade quando comparados ao consumo na estrada. Isto é devido a que um veículo híbrido de MODO UM deve ser projetado para máxima eficiência numa determinada velocidade. Esta velocidade pré-estabelecida é desenhada tipicamente para ser menor que as velocidades alcançadas em rodovias. A velocidades maiores que o ponto de eficiência, o veículo híbrido pode apresentar consumo ligeiramente maior que um veículo não híbrido. Alguns veículos híbridos de MODO DOIS são projetados com mais de um ponto de eficiência e possuem também um caminho de força puramente mecânico, de maneira que tanto seu consumo em estrada quanto em cidade são menores que um veículo não híbrido.


Existem vários tipos de dispositivos que possibilitam ganho nos veículos híbridos:

• Dispositivos que afetam a operação do motor de combustão interna.

• Dispositivos que afetam o projeto do motor de combustão interna.

• Dispositivos que ampliam a propulsão do sistema elétrico.

Alguns veículos híbridos elétricos podem movimentar o veículo somente com energia elétrica com uma velocidade ou distância limitadas (até 30 a 50 kmh).

Estudando os gráficos a seguir, podemos ver quando cada dispositivo é utilizado durante uma condução normal do veículo  híbrido.

PROPULSÃO ELÉTRICA
Alguns projetos híbridos podem movimentar o veículo somente com energia elétrica com o motor híbrido permanecendo desligado até que uma velocidade pré-estabelecida ou requisito de potência seja atingido. Devido ao fato que o motor elétrico pode entregar 100% de seu torque nominal a ZERO RPM, o motor elétrico pode fornecer o desempenho que o motor a combustão não pode durante a aceleração inicial do veículo. Quando comparado ao motor de combustão interna, que deve desenvolver vários milhares de RPMs para atingir seu nível máximo de torque, o motor elétrico ao ser utilizado na etapa inicial de movimento do veículo reduz as emissões veiculares.


Adicionalmente à partida através somente de motor elétrico, alguns projetos híbridos podem também mesclar o motor elétrico/gerador e a força do motor a combustão interna para movimentar o veículo quando altas velocidades ou cargas são desenvolvidas. Enquanto este fato por si só não aumenta a economia de combustivel, o veículo híbrido pode ser projetado com um motor de combustão interna de menor potência, enquanto iguala ou supera sua capacidade de aceleração de um veículo tradicional. O motor de combustão interna de menor capacidade consumirá menos combustível que um veículo não híbrido, aumentando desta maneira a economia de combustível geral do veículo híbrido.

AUTO START (MOTOR LIGADO/DESLIGADO)
Um motor tradicional de combustão interna possui um motor de arranque de baixa tensão que pode girar o motor a rotações ao redor de 200 RPM. A velocidades de partida muito baixas, uma quantidade adicional de combustível é necessária para se obter a partida do motor. Combustível adicional aumenta a quantidade de poluentes. 

Devido ao fato do motor/gerador elétrico do carro híbrido ser muito mais potente que o motor de arranque do veículo tradicional montado no motor, ele é capaz de dar partida ao motor de combustão interna à sua velocidade normal de marcha lenta (600 RPM) dentro de 300 milisegundos. A esta alta velocidade de partida, não é necessário combustível adicional para a partida e as emissões são reduzidas. Para o motorista, a partida do motor do veículo híbrido é percebida como um evento instantâneo. Ao invés de se ouvir o ruído característico da partida e o tempo de espera associado ao motor de arranque convencional, o motor do veículo híbrido parece ter imediatamente entrado em funcionamento.

SUAVIZAÇÃO DO TORQUE
O virabrequim do motor de combustão interna não gira suavemente em todas as faixas de rotação durante sua operação. Os pulsos do processo de combustão fazem com que a velocidade do virabrequim aumente e diminua muitas vezes por segundo. Estas vibrações são tradicionalmente mascaradas em rotações maiores do virabrequim. Como resultado deste mascaramento, estas rotações maiores do motor são levadas em conta na calibração do programa de mudança da transmissão e operação do conversor de torque em um veículo não híbrido.

Partida em um motor de combustão interna não híbrido
Decisão de acionar um motor de combustão interna no sistema híbrido
O motor de combustão no sistema híbrido reinicia em menos de 300 milisegundos
Dispositivos de ganho nos veículos híbridos em paralelo
Dispositivos de ganho nos veículos híbridos modo dois
Adicionalmente, o eixo cardã também transmite vibrações girando a determinadas velocidades e cargas. A suavização do torque se refere ao processo de cancelamento destas vibrações do motor e do eixo cardã.

Os veículos híbridos elétricos utilizam sistemas de amortecimento e suavização do torque para cancelamento destas vibrações, aumentando a economia de combustível e diminuição das emissões, permitindo que rotações muito mais baixas do motor sejam calibradas durante condições de dirigibilidade tradicionais, quando comparadas com veículos não híbridos. Estas condições incluem:

• Pontos de troca de marcha a menores rotações do motor.

• Aplicação da embreagem do conversor de torque (TCC ou Lock Up) a marchas mais baixas (2ª marcha).

• Operação expandida do gerenciamento ativo de combustível.

Os veículos híbridos elétricos podem reduzir os efeitos destas vibrações em rotações menores do motor, cancelando-as eletro-mecanicamente. O efeito de cancelamento é conseguido tanto passivamente quanto ativamente.

Suavização ativa de torque - O motor/gerador cicla entre o funcionamento do motor e do gerador muitas vezes por segundo:

• A carga do gerador diminui a rotação do virabrequim.

• O gerenciamento do motor aumenta a rotação do virabrequim.

• O efeito médio resultante suaviza as vibrações do virabrequim.

Suavização passiva de torque - Os motores elétricos possuem uma curva de torque relativamente “plana”. Isto significa que eles criam 100% do torque total desde 0 RPM até próximo da rotação máxima:


• Quando a rotação do virabrequim parte de valores baixos devido ao ciclo de combustão, o torque do motor permanece estável mesmo quando o motor desacelera.

• O torque estável do motor elétrico durante tanto a assistência do motor de combustão interna quanto da carga do gerador, causa menos variação na rotação do virabrequim.

• O resultado do funcionamento do motor mais a carga do gerador ajuda a reduzir as vibrações do virabrequim.

A tecnologia híbrida do arranque/alternador do volante do motor e as tecnologias de MODO DOIS de alguns fabricantes incorporam a suavização ativa de torque. A tecnologia híbrida do alternador acionado por correia, que inclui também o motor de arranque, incorpora a suavização passiva de torque.

Os mesmos processos de suavização de motor/gerador podem também ser aplicados aos eixos cardãs dos veículos híbridos para ajudar a amortecer vibrações objecionáveis do chassis.

MOTOR HÍBRIDO DESLIGADO (AUTO STOP)
O motor de combustão interna (MCI) não é mais necessário para manter a marcha lenta do veículo durante as desacelerações ou enquanto ele está parado, porque o poderoso motor/gerador elétrico do sistema híbrido pode acionar rapidamente o motor de combustão interna. O sistema de controle híbrido usualmente permite ao motor de combustão interna ficar na marcha lenta somente durante o acionamento inicial pela chave e também quando o motor está abaixo da temperatura normal de funcionamento. Uma vez que o motor de combustão interna atinja a temperatura normal de funcionamento, ele pode ser desligado sempre que o pedal do acelerador não esteja sendo pressionado. Dependendo das condições de dirigibilidade, o motor tanto para de funcionar quanto continua girando, porém com todos os injetores desligados. Por razões de dirigibilidade, tipicamente é permitido o motor parar de girar somente em condições em que o veículo está em baixas velocidades ou quando o veículo está parado. O modo de motor híbrido desligado (Auto Stop) pode ser desabilitado em condições tais como quando as baterias híbridas necessitam de carga ou quando os requisitos de temperatura interior  e ventilação podem ser atingidos somente enquanto o motor de combustão interna está funcionando. A operação no modo AUTO STOP pode exigir modificações em muitos dos sistemas dos veículos.

FRENAGEM REGENERATIVA
Frenagem regenerativa se refere ao processo de capturar a energia que está disponível para uso porém é perdida durante a frenagem ou desacelerações de um veículo tradicional. Em um veículo tradicional não híbrido durante a frenagem o momentum do veículo é convertido em calor pelo sistema de freio. A energia cinética que é “armazenada” em um veículo em movimento é essencialmente perdida como calor durante a frenagem. Em um projeto híbrido alguma desta energia “gasta” ou “perdida” pode ser convertida em eletricidade durante as frenagens/desacelerações, por permitir que o motor elétrico opere como gerador para gerar eletricidade e carregar as baterias híbridas e fornecer também frenagem auxiliar ao veículo.



A carga de geração elétrica é mesclada com o sistema de freios hidráulicos padrão e juntos eles desaceleram o veículo. Um tempo muito grande é devotado à calibração do sistema para utilizar a frenagem regenerativa junto com o sistema hidráulico de freios, de maneira que a frenagem ocorra de maneira que seja aceitável ao condutor do veículo.

A captura desta energia previamente gasta é o que dá ao veículo híbrido elétrico algumas das vantagens de eficiência de energia sobre um veículo não híbrido.

Quanto maior a carga que ocorre durante a frenagem e/ou desaceleração, menor o período que o motor de combustão interna deve funcionar para carregar as baterias híbridas. Em adição à economia de combustível, o intervalo de serviço nas pastilhas de freio também aumenta, desde que os freios não mais têm de suprir todo o esforço de parar o veículo.

Para se assegurar que a maior quantidade possível de regeneração ocorra, e para aumentar a vida útil da bateria, a bateria híbrida é mantida entre 60% e 80% de sua capacidade de armazenamento.

AO PISAR NO FREIO

Enquanto que os dispositivos vistos até aqui ocorrem em pontos específicos do ciclo de utilização do veículo, aperfeiçoamentos do projeto e operação do motor de combustão interna pode aumentar a eficiência do veículo híbrido elétrico através de toda sua gama de operação.

Tamanho e potência do motor - Um motor menor ou menos potente pode ser utilizado no veículo híbrido elétrico desde que o motor elétrico possa auxiliar na movimentação do veículo.

Gerenciamento de combustível ativo antecipado - O Gerenciamento de Combustivel Ativo se refere ao processo de desligar alguns dos cilindros do motor de combustão interna quando eles não são necessários para a movimentação do veículo. Alguns solenoides são projetados para controlar os atuadores de válvulas de admissão e escapamento. As válvulas de admissão e escapamento são fechadas em certos cilindros quando não são necessários. Isto deve ocorrer em veículos não híbridos a rotações mais altas, quando a perda de potência no referido cilindro não é sentida por rotações maiores do virabrequim.


Devido ao fato de um projeto híbrido utilizar a suavização de torque, o modo de gerenciamento ativo de combustível pode ser iniciado a velocidades muito menores do veículo.


Projeto de acionamento de válvulas do motor
- Os veículos híbridos elétricos que são movidos por motor a gasolina podem se beneficiar do uso de uma estratégia de acionamento de válvulas do motor conhecida como Fechamento tardio das válvulas de admissão LIVC - sigla em inglês. O projeto de válvulas LIVC é cerca de 10% mais eficiente que um motor tradicional a combustão interna na faixa de 1800 a 2400 RPM. Contudo, o resultado do motor de combustão interna que utiliza o LIVC é uma saída reduzida de torque. Um veículo híbrido sobrepuja esta deficiência misturando a saída de torque do motor elétrico/gerador para ajudar a movimentar o veículo.

O projeto LIVC essencialmente aumenta a taxa de compressão teórica próximo de 13:1. A válvula de admissão é mantida aberta durante uma porção do ciclo de compressão. Manter a válvula um tempo maior aberta permite que a pressão do tempo de compressão escape para o coletor de admissão, baixando a relação de compressão efetiva para 8,5:1. Forçando uma porção da pressão de compressão no coletor de admissão, faz com que os outros cilindros que estão no tempo de compressão não tenham muito vácuo disponível para combater esta pressão, reduzindo desta maneira a perda de bombeamento dos cilindros do motor.


ARMAZENAMENTO DE ENERGIA ELÉTRICA, APLI­CA­ÇÃO E TRANSFERÊNCIA
Os veículos não híbridos possuem uma bateria de corrente contínua de 12 Volts e um gerador que fornece cerca de 14 Volts para manter esta bateria de 12 Volts carregada. Um motor de partida de 12 Volts é utilizado para dar partida no motor de combustão interna. Todos os dispositivos elétricos de um veículo não híbrido operam com base neste sistema de 12/14 volts.

Os veículos híbridos elétricos também possuem uma bateria de 12 Volts de corrente contínua. Adicionalmente, um sistema de baterias de alta voltagem e um sistema elétrico comum são necessário para fornecer a energia necessária ao inversor de potência e ao motor/gerador. A capacidade e voltagem das baterias de alta voltagem variam de acordo com os requisitos do sistema híbrido.

Armazenamento de Energia - A fonte de baterias adicionais de um veículo híbrido elétrico varia de 36 Volts para mais de 600 Volts. Todos os projetos híbridos utilizam baterias conectadas em série para obter a tensão necessária ao sistema. As baterias híbridas estão contidas na Caixa de Armazenamento de Energia (CAE).

Aplicação da Energia - Em todos os projetos híbridos o motor/gerador fornece a eletricidade necessária para carregar as baterias híbridas da CAE. Contudo, o motor/gerador híbrido somente produz tensão alternada trifásica. Esta tensão alternada deve ser convertida em tensão contínua para carregar as baterias de alta voltagem.

Transferência de Energia - Inversão de CA para CC.

Desde que as CAE dos veículos híbridos armazenam somente corrente contínua e o motor/gerador produz somente voltagem alternada trifásica, um dispositivo se faz necessário para converter a tensão alternada em contínua, visto que a tensão passa de CA para CC entre a Caixa de Armazenamento de Energia e o motor/gerador. O módulo do Inversor de Potência CA-CC-CA (PIM) inverte a corrente alternada e a corrente contínua seguidamente entre a CAE e o motor/gerador.

Acessórios e módulos de controle típicos de um sistema 12 volts
Caixa de armazenamento de energia do sistema híbrido (CAE) e módulo conversor CC/CC de potência dos acessórios (APM)
Conversão de Corrente Contínua para Corrente Contínua - O veículo híbrido mantém ainda uma bateria de 12 Volts e um sistema elétrico normal. Devido ao fato que a maioria dos veículos híbridos não possuem um gerador de 14 Volts, é necessário um dispositivo que mantenha a bateria carregada. O Módulo de Potência dos Acessórios ou (APM) ou conversor CC/CC converte a tensão CC mais alta da Caixa de Armazenamento de Energia híbrida nos 14 Volts CC necessários para carregar a bateria de acessórios e fornecer energia elétrica para operar o sistema elétrico do veículo. O APM também pode ser utilizado para fornecer diferentes níveis de tensão contínua para suportar dispositivos elétricos de tensões diferentes, como por exemplo a direção elétrica de 42 Volts.


Armazenamento de Energia - A Caixa de Armazenamento de Energia (CAE) contém as baterias híbridas. Elas são conectadas em série e operam como uma só bateria. A tensão total da CAE e o tipo de bateria variam de acordo com o projeto do veículo híbrido. A capacidade da bateria híbrida é mantida entre 60% e 80% para permitir que a Frenagem Regenerativa ocorra e para manter o máximo da vida útil da bateria. A CAE contém um sistema de arrefecimento para manter a temperatura de trabalho da bateria durante os eventos de carga e descarga.

A CAE contém também:

• Módulo de Controle de Armazenamento de Energia (ESCM):

- Monitora a bateria quanto a temperatura, corrente, tensão e falhas.

- Controla e monitora o Módulo de Desconexão da Bateria (BDM).

- Informa a condição da bateria e do módulo BDM aos outros módulos.

- O nome utilizado no passado para o módulo ESCM era Módulo de Controle do Pacote de Baterias (BPCM).

• Módulo de Desconexão da Bateria (MDB):

- Um relé especial ativado eletricamente que desconecta a bateria híbrida do resto do veículo.

- A antiga nomenclatura do BDM foi: 

1. Contatores de Alta Voltagem

2. Módulo de Desconexão Automática (ADM)

3. Unidade de Desconexão da Bateria (BDU)

• Desconexão manual

- Interruptor ativado manualmente que desconecta as baterias híbridas de alta voltagem provenientes do inversor de potência e do motor elétrico /gerador e o restante do veículo.

CAE – CAIXA DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA TÍPICA

Capacidade da bateria híbrida - A capacidade da bateria se refere à quantidade de energia que uma bateria pode fornecer a uma dada voltagem. Em geral, a capacidade é usualmente medida em amperes/hora (Ah). A capacidade da bateria é afetada pelas seguintes condições:



1. Resistor de pré-carga - 2. Módulo de controle de armazenamento de energia - 3. Ventilador de resfriamento - 4. Baterias Híbridas - 5. Desligamento automático - 6. Desligamento manual - 7. Chave removível - 8. Fusível
• Projeto da bateria (Tamanho e materiais);

• Temperatura da bateria;

• Relação de descarga;

• Idade da bateria.

Devido à variação no processo de manufatura, nem todas as baterias do mesmo tipo possuem exatamente a mesma capacidade. Assim sendo, ao se conectar um grande número de baterias em série, (isto é, num veículo híbrido elétrico) a capacidade total da bateria é limitada pela bateria mais fraca.

Durante a operação normal, a temperatura possui o maior efeito na capacidade da bateria. Temperaturas altas são tipicamente vantajosas para manter (e aumentar) a capacidade da bateria. Contudo, temperaturas superiores a 60ºC pode aumentar a corrosão da bateria e impactar adversamente na vida da bateria. Temperaturas mais baixas (temporariamente) reduzem a capacidade da bateria para metade de sua capacidade normal. Quando a temperatura da bateria aumentar, a capacidade da bateria também aumentará.

A idade da bateria também afeta grandemente a capacidade da bateria. O processo químico normal que ocorre dentro da bateria acabará por quebrar este processo com o correr do tempo. À medida que o material ativo é reduzido, a capacidade da bateria se reduzirá.

Em um veículo tradicional, a bateria é mantida ao redor de 100% de sua capacidade. As baterias híbridas na Caixa de Armazenamento de Energia (CAE) são mantidas entre 60% e 80% de sua capacidade. As baterias híbridas são mantidas neste nível de carga para permitir maior capacidade de armazenamento de frenagem regenerativa e aumentar a vida útil da bateria.

A capacidade total da bateria é limitada pela bateria mais fraca
A temperatura pode afetar a duração e a capacidade da Bateria
A taxa de descarga pode afetar a capacidade da bateria
A idade da bateria pode afetar sua capacidade
Diferente das baterias tradicionais, as baterias híbridas são mantidas entre 60% e 80% de sua capacidade máxima

Em comparação com as baterias convencionais, as baterias híbridas, feitas à base de níquel e metal híbrido, possuem maior capacidade e vida mais longa, embora sejam mais caras. São também mais tolerantes às descargas do que as baterias convencionais. À medida que as baterias híbridas se descarregam devido à idade, a potência entregue pelo motor de combustão interna vai aumentando, e sua consequente economia de combustível aumenta, e suas emissões de poluentes aumentam.

O veículo híbrido possui no painel de instrumentos informação sobre a capacidade das baterias e a consequente necessidade de substituição das mesmas.

Fornecimento de energia - Gerador de voltagem/Motor elétrico

O gerador de voltagem/motor elétrico do sistema híbrido opera com corrente alternada (AC). A corrente alternada é um tipo de eletricidade que alimenta nossos lares e energiza vários dispositivos elétricos utilizado na nossa vida, diariamente.

A corrente alternada residencial possui um ciclo de ocorrência de 60 vezes por segundo, conforme é gerado na usina elétrica. Ela é conhecida comumente como corrente alternada de 60 Hz. Para gerar corrente alternada de 60 Hz, o gerador da usina é girado a uma velocidade constante. Devido à velocidade em que o motor/gerador de um veículo equipado com sistema híbrido varia conforme a operação deste veículo, a frequência desta voltagem gerada pelo sistema híbrido também varia.

A corrente alternada é utilizada em residências
Comparação entre o nível de voltagem da residência e a utilizada em um veículo híbrido
Ondas senoidais de corrente alternada trifásica
A tensão doméstica é fornecida tipicamente com 120 Volts, corrente alternada. A voltagem de um sistema híbrido varia de menos de 60 Volts AC para mais de 600 Volts AC, dependendo do sistema híbrido e da rotação do motor.

A voltagem doméstica também é fornecida em somente uma fase (monofásica). A voltagem monofásica significa que o ciclo da voltagem se mantém fixo através de 360 graus de geração de energia. Em contraste com a voltagem monofásica, o motor elétrico/gerador de um sistema híbrido opera fornecendo voltagem trifásica AC. Voltagem trifásica AC são essencialmente três “ondas” geradas 120 graus defasadas uma das outras.

A sobreposição da energia AC permite que o motor elétrico/gerador de um sistema híbrido seja projetado mais potente e utilize menos corrente que um projeto monofásico.

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